Optimale CO2-Zirkulation garantiert

Dass Pflanzen atmen, ist seit über 100 Jahren bekannt. Doch erst jetzt fanden Wissenschaftler heraus, nach welchem Prinzip das Durchlüftungsgewebe im Mesophyll aufgebaut ist.

Die Blätter von Pflanzen sind gespickt mit Poren, sogenannte Stomata. Dahinter verbirgt sich ein kompliziertes Netzwerk von Luftkanälen, welches das Mesophyll durchzieht. Bislang war jedoch unklar, wie diese Kanäle und Lufträume im „Durchlüftungsgewebe“ an den richtigen Stellen entstehen, um eine stetige CO₂-Zufuhr zu garantieren.

Marjorie Lundgren, Erstautorin der Studie, erklärt dazu: „Wissenschaftler vermuten seit langem, dass die Entwicklung von Stomata und von Lufträumen innerhalb eines Blattes koordiniert abläuft. Wir waren uns jedoch nicht ganz sicher, wer dabei wen beeinflusst. Unsere Forschungsarbeit fing also mit der Frage an: Was kam zuerst, das Huhn oder das Ei?“ Auf die Studie übertragen war die Frage also, was kommt zuerst? Das Stomata oder das Durchlüftungsgewebe?

Wie kleine Blatt-Bronchien

Mithilfe genetischer Analysen kamen Wissenschaftlern nun zur folgenden Erkenntnis: Je mehr Spaltöffnungen ein Blatt hat, desto mehr Lufträume bildet es. Mit anderen Worten: Das Durchlüftungsgewebe entsteht dort, wo sich die Stomata befinden. Die Kanäle wirken dabei wie Bronchiolen, jene Kanäle in den Lungen von Mensch und Tier, die die eingeatmete Luft zu den Lungenbläschen transportieren. Die Analysen zeigen aber auch, dass es weniger auf die Position der Stomata ankommt, als auf die Menge an CO₂, die letztendlich durch die Pore strömt, die über die Form und Größe des Luftkanalnetzes entscheidet.

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Mithilfe der Röntgen-CT-Bildanalyse hat das Forschungsteam diese Fragen an verschiedenen Pflanzenartenarten mit sehr unterschiedlichen Blattstrukturen beantwortet. Dabei entwickelten sie auch eine Technik, mit der sie die Zellstruktur eines Pflanzenblattes in 3D visualisierten.

Was Stomata über die Geschichte des Weizens verraten

Die Studie verrät darüber hinaus auch einiges über die Züchtungsgeschichte des Weizens: Im Laufe von vielen Generationen, in denen die Menschen versuchten, die Wassereffizienz von Weizen zu erhöhen, sank nicht nur die Zahl der Stomata pro Blatt, es schrumpfte auch das Durchlüftungsgewebe. Für Wissenschaftler bietet diese neue Erkenntnis das Potenzial, Grundnahrungsmittel wie Weizen durch eine Veränderung der inneren Struktur ihrer Blätter noch wassersparender zu züchten. Die daraus resultierenden Pflanzen sind in der Lage, extreme Dürrebedingungen zu überstehen.

Neue Ansatzpunkte für die Züchtung

Forschungsleiter Andrew Fleming vom Institute for Sustainable Food an der University of Sheffield sagte: „Die Tatsache, dass der Mensch bereits unbewusst die Art und Weise beeinflusst hat, wie Pflanzen atmen, indem er Weizen züchtete, der weniger Wasser verbraucht, deutet darauf hin, dass wir diese Luftkanalnetze gezielt einsetzen könnten, um Pflanzen zu entwickeln, die die extremeren Dürren, die wir mit den Veränderungen des Klimas erwarten, überstehen können.“ Die Entdeckung der Wissenschaftler hilft außerdem, die innere Struktur eines Blattes besser zu verstehen und zeigt, wie die Funktion von Geweben die Entwicklung der Pflanze beeinflussen kann.